康榮杰，孫慈晶

(天津大學(xué)機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

近年來(lái)隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已不僅用于工業(yè)生產(chǎn)在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中做重復(fù)性強(qiáng)的機(jī)械式工作，還拓展應(yīng)用到了各種復(fù)雜的工況環(huán)境，比如災(zāi)難搜救、科學(xué)探測(cè)和微創(chuàng)手術(shù)等[1]．在這些場(chǎng)景中，傳統(tǒng)剛性機(jī)器人由于自由度和柔順性不足，較難適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，而兼具靈活性、多自由度、自適應(yīng)性強(qiáng)的連續(xù)型機(jī)器人得到了施展空間，它的柔性本質(zhì)更加適合人機(jī)環(huán)境共融的需求[2]．

目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了許多關(guān)于連續(xù)型機(jī)器人的研究，比如意大利比薩圣安娜大學(xué)的 Menciassi等[3]設(shè)計(jì)了一種形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)仿蠕蟲(chóng)的爬行機(jī)器人．瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Shintake等[4]提出了一種電活性聚合物(EAP)制成的軟體手．美國(guó)克萊姆森大學(xué)的 Walker等[5]開(kāi)創(chuàng)了一系列氣體驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型機(jī)器人．天津大學(xué)的 Kang等[6]也提出了一種采用可伸長(zhǎng)的氣動(dòng)人工肌肉(PAM)組成的多關(guān)節(jié)連續(xù)型機(jī)器人．意大利圣安娜大學(xué)的Calisti等[7]研制了一種線驅(qū)動(dòng)的連續(xù)型機(jī)器人．美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的 Xu等[8]則采用 Ni-Ti擁有更高剛度的彈性桿來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人．通過(guò)電流直接驅(qū)動(dòng)的SMA易于控制但是需要冷卻時(shí)間，適合于低頻的運(yùn)動(dòng)．同是電流控制的 EAP驅(qū)動(dòng)器具備輕量化的優(yōu)點(diǎn)，然而輸出位移和輸出力相對(duì)較小．氣壓驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生大范圍運(yùn)動(dòng)和較大輸出力，但是欠缺一些精度．擁有很高的分辨率的線驅(qū)動(dòng)僅能傳遞拉力，對(duì)于壓力和側(cè)向力的抵抗能力不足．換取了剛度的彈性桿驅(qū)動(dòng)器則是以犧牲了一定程度的柔順性為代價(jià)．回顧以上這些設(shè)計(jì)，可以看出單一的驅(qū)動(dòng)方式難以兼顧精度、工作空間和輸出力等各方面的性能．

為了提高機(jī)器人的綜合性能，一種簡(jiǎn)捷有效的方法是采用混合驅(qū)動(dòng)方式．Kang等[9]提出了一種內(nèi)嵌驅(qū)動(dòng)線的氣動(dòng)肌肉組成的連續(xù)型機(jī)器人．這種設(shè)計(jì)由氣動(dòng)肌肉主導(dǎo)輸出力和大范圍運(yùn)動(dòng)，內(nèi)嵌的尼龍線提供額外精確的位置調(diào)整．然而由于驅(qū)動(dòng)線過(guò)于柔軟只能承受拉力，進(jìn)行拉拽調(diào)整，而無(wú)法承受推力，限制了機(jī)器人精度的進(jìn)一步提高．其他混合驅(qū)動(dòng)器則關(guān)注變剛度的設(shè)計(jì)，目的是使機(jī)器人在穿越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化環(huán)境時(shí)保持柔順性，而在此之后自身剛度增強(qiáng)以便于進(jìn)行精確的操作．康奈爾大學(xué)的 Brown等[10]創(chuàng)新性地提出了一種顆粒阻塞技術(shù)變剛度機(jī)械手，通過(guò)改變顆粒之間的摩擦力控制剛度．在此基礎(chǔ)上，香港大學(xué)的 Li等[11]進(jìn)一步提出被動(dòng)顆粒阻塞的方法，簡(jiǎn)化了變剛度結(jié)構(gòu)，然而這種顆粒阻塞的變剛度機(jī)構(gòu)會(huì)增加機(jī)器人的尺寸和質(zhì)量．國(guó)王學(xué)院的Shiva等[12]提出了一種基于拮抗原理的連續(xù)型機(jī)器人，利用氣腔的伸長(zhǎng)力與驅(qū)動(dòng)線的拉力對(duì)抗來(lái)增加內(nèi)力以達(dá)到變剛度的目的，但是它的剛度與姿態(tài)的控制是耦合的．

本文的目的在于提出一種兼顧各方面性能的機(jī)器人設(shè)計(jì)，綜合考慮精度、柔性、工作空間大小等性能．正如上文所提到的，氣動(dòng)肌肉能提供大范圍的運(yùn)動(dòng)，而彈性桿在不失柔性的基礎(chǔ)上，相比尼龍絲線具有高的剛度(尤其是軸向剛度)．筆者在本文的設(shè)計(jì)中結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)，將彈性桿嵌入到氣動(dòng)肌肉當(dāng)中，形成一種新型的同心結(jié)構(gòu)混合驅(qū)動(dòng)器．運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣動(dòng)肌肉提供快速的大范圍運(yùn)動(dòng)，并且這個(gè)過(guò)程中機(jī)器人的柔順性較高．到達(dá)指定工作位置附近時(shí)，由彈性桿驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行精確定位，此時(shí)機(jī)器人剛度較高．本文還將分析機(jī)器人的靜力學(xué)模型，建立輸入氣壓與機(jī)器人構(gòu)型的關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．

1 混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在大自然中，章魚(yú)的觸手是一個(gè)典型的連續(xù)型結(jié)構(gòu)．它的內(nèi)部沒(méi)有骨骼，而是靠?jī)?nèi)部并聯(lián)的縱向肌和橫向肌結(jié)構(gòu)使它能夠伸縮以及朝任意方向進(jìn)行彎曲[13]．本文的連續(xù)型機(jī)器人借鑒這種肌肉組織形式，并進(jìn)行工程優(yōu)化．通過(guò)并聯(lián)布置 3組可伸長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的彎曲和伸縮控制．由于連續(xù)型機(jī)器人形體細(xì)長(zhǎng)、徑向空間有限、側(cè)向剛度較低、難以保持形狀，因此本文提出一種氣動(dòng)肌肉內(nèi)置彈性桿的創(chuàng)新設(shè)計(jì)以提高系統(tǒng)緊湊性和剛度．混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人是由機(jī)械臂和驅(qū)動(dòng)平臺(tái)兩部分組成，圖1展示了機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)．機(jī)械臂由 3個(gè)混合驅(qū)動(dòng)器(以下簡(jiǎn)稱驅(qū)動(dòng)器)以及上、中、下 3個(gè)白色的連接盤(pán)組成．3個(gè)驅(qū)動(dòng)器的軸向運(yùn)動(dòng)能使操作臂向任意方向彎曲和沿操作臂軸向伸長(zhǎng)，連接盤(pán)使驅(qū)動(dòng)器在任意姿態(tài)都能保持互相平行．

驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖 1所示，它由尼龍編織網(wǎng)套、橡膠管、彈性桿和氣動(dòng)接頭等組成．在充入高壓氣體時(shí)，最外層的編織網(wǎng)套限制驅(qū)動(dòng)器徑向膨脹而只允許驅(qū)動(dòng)器沿軸向伸長(zhǎng)[14]．彈性桿為 NiTi合金材料，具有超彈性，它起到驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)支撐作用，它的頂端與氣動(dòng)肌肉的頂端固連在一起，向下穿過(guò)氣動(dòng)接頭到達(dá)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)．筆者在彈性桿上布置了 5個(gè)限制模塊用來(lái)使彈性桿始終處于氣動(dòng)肌肉的中心線位置，在氣動(dòng)接頭里面布置了橡膠墊防止氣體泄漏．機(jī)器人使用薄膜傳感器(sparkfun)來(lái)測(cè)量彈性桿的位移，如圖2所示，紅色的傳感器觸頭固定在彈性桿上沿著藍(lán)色的導(dǎo)軌上下移動(dòng)，這個(gè)位移也就是驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度的變化量．表1列出了驅(qū)動(dòng)器的具體幾何參數(shù)．

圖1 混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人整體視圖和驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall view of the hybrid-driven robot and the actuator structure

圖2 傳感器布置示意Fig.2 Schematic diagram of the potentiometer arrangement

表1 驅(qū)動(dòng)器幾何參數(shù)Tab.1 Geometrical parameters of the actuator

驅(qū)動(dòng)器具有氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種工作模式．在氣壓驅(qū)動(dòng)模式下，驅(qū)動(dòng)器等同于氣動(dòng)肌肉，擁有較大的工作空間．而在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下，使用直線電機(jī)(Haydon，0.003175mm/步，4kg 推力)在豎直方向推拉彈性桿對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)小范圍的精確定位調(diào)整．機(jī)器人根據(jù)彈性桿是否與直線電機(jī)鎖緊來(lái)區(qū)分驅(qū)動(dòng)模式，驅(qū)動(dòng)模式切換機(jī)構(gòu)如圖 3所示．鎖緊彈性桿時(shí)，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)橢圓形凸輪旋轉(zhuǎn)，由 3D打印的基座與凸輪從側(cè)面共同夾緊彈性桿，從而將直線運(yùn)動(dòng)由電機(jī)傳遞到彈性桿．凸輪反轉(zhuǎn)一定的角度即可松開(kāi)彈性桿，使驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入氣壓驅(qū)動(dòng)模式．彈性桿的表面覆蓋了一層硅膠套用以增加摩擦力防止夾緊時(shí)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象．

圖3 驅(qū)動(dòng)模式切換機(jī)構(gòu)Fig.3 Structure of the drive mode switching mechanism

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖 4所示．每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器都是根據(jù)選定的驅(qū)動(dòng)模式由電機(jī)或電氣比例閥獨(dú)立控制．使用 PC作為上位機(jī)，與單片機(jī)DSP(TMS320F28335)通過(guò) RS-232進(jìn)行串口通訊．由上位機(jī)發(fā)送期望的驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度，由 DSP來(lái)控制電氣比例閥(SMC ITV1051)、直線電機(jī)、舵機(jī)(EMAX ES08MAII)以及讀取傳感器回傳的數(shù)據(jù)．

圖4 控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Control architecture

混合驅(qū)動(dòng)器的控制邏輯如圖 5所示．當(dāng)接收到期望長(zhǎng)度信息時(shí)，首先需要傳感器檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際長(zhǎng)度并且與目標(biāo)長(zhǎng)度做比較．當(dāng)實(shí)際與期望的誤差大于設(shè)定閾值時(shí)，機(jī)器人對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行氣壓驅(qū)動(dòng)，粗略地調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度．當(dāng)誤差等于或小于設(shè)定閾值時(shí)，保持氣壓不變同時(shí)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)夾緊彈性桿，切換至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，進(jìn)行長(zhǎng)度的精細(xì)調(diào)節(jié)．在這個(gè)控制過(guò)程中，如將閾值設(shè)定得太大，系統(tǒng)將過(guò)早地切換至電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這樣會(huì)降低機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度同時(shí)還會(huì)增加它的內(nèi)力．如將閾值設(shè)定得太小，由于氣壓驅(qū)動(dòng)的誤差相對(duì)較大，粗略調(diào)節(jié)的過(guò)程將延長(zhǎng)，損失了效率．在本文的樣機(jī)設(shè)計(jì)中，綜合考慮以上因素，將切換驅(qū)動(dòng)的閾值設(shè)定為5mm．

圖5 混合驅(qū)動(dòng)器的控制邏輯Fig.5 Control logic of the hybrid actuator

3 驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度模型

本文設(shè)計(jì)的混合驅(qū)動(dòng)器中，由于彈性桿軸向剛度較高，因此認(rèn)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下彈性桿的軸向位移與驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度變化是一致的．但是，在氣壓驅(qū)動(dòng)模式下，輸入氣壓與驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度的關(guān)系較為復(fù)雜．本節(jié)將建立反映輸入氣壓與驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，有助于后續(xù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．

使用Fair表示氣壓造成的軸向伸長(zhǎng)力，F(xiàn)rubber表示橡膠管的回彈力，F(xiàn)mesh表示編織網(wǎng)套的軸向力，F(xiàn)ex表示驅(qū)動(dòng)受到的外力．在驅(qū)動(dòng)器達(dá)到靜力平衡時(shí)，有以下等式成立．

使用l表示驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際長(zhǎng)度，?為原長(zhǎng)，krubber表示橡膠管的剛度，有

使用p表示驅(qū)動(dòng)器內(nèi)氣壓值(與大氣壓強(qiáng)的差值)，R表示橡膠管外半徑，c表示管壁厚，有

使用ly表示組成編織網(wǎng)套的纖維其中一根的展開(kāi)長(zhǎng)度，n表示一根纖維繞驅(qū)動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)．根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]，可知

將式(2)～(4)帶入式(1)，得

這是驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度關(guān)于輸入氣壓的顯式表達(dá)．

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 單個(gè)驅(qū)動(dòng)器測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖 6所示，將電磁位置傳感器(3D Guidance tranSTAR，NDI)安裝在驅(qū)動(dòng)器末端來(lái)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度的變化．該傳感器配套有電磁場(chǎng)發(fā)生器，而傳感器本體在電磁場(chǎng)中的三維坐標(biāo)位置可被感知．該傳感器對(duì)位置的監(jiān)測(cè)誤差(RMSE)小于1.0mm．驅(qū)動(dòng)器將在氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下分別進(jìn)行測(cè)試．在氣壓驅(qū)動(dòng)模式下，以 0.025MPa的步長(zhǎng)增加氣壓輸入至0.250MPa，之后減小氣壓至0(與大氣壓強(qiáng)的差值)．驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)和回復(fù)在40mm左右的一個(gè)范圍內(nèi)．而電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式適用于微調(diào)，該模式下驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度變化在 5mm 范圍內(nèi)，取步長(zhǎng) 1mm通過(guò)直線電機(jī)來(lái)控制．實(shí)際樣機(jī)中，krubber為501.4N/m，n為9圈，ly為443.3mm．

圖6 驅(qū)動(dòng)器測(cè)試平臺(tái)Fig.6 Test platform for the actuator

圖7 氣壓驅(qū)動(dòng)模式實(shí)驗(yàn)與模型仿真結(jié)果Fig.7 Experiment and model simulation results in pneumatic driving mode

氣壓驅(qū)動(dòng)模式實(shí)驗(yàn)與模型仿真結(jié)果見(jiàn)圖 7，橫坐標(biāo)代表氣壓值，縱坐標(biāo)代表驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)量．實(shí)線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線為本文式(5)所建立模型的仿真結(jié)果，其中假設(shè)所受的外力Fex為 0．可以看出在實(shí)驗(yàn)中一開(kāi)始增加壓力時(shí)驅(qū)動(dòng)器并沒(méi)有伸長(zhǎng)，存在一段死區(qū)e，大約在 0.025～0.05MPa之間；在相同的氣壓輸入下，回復(fù)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度總是大于伸長(zhǎng)過(guò)程，最終當(dāng)氣壓減至 0時(shí)，驅(qū)動(dòng)器并沒(méi)有恢復(fù)原長(zhǎng)，存在明顯的遲滯現(xiàn)象．其中氣壓為0.125MPa的點(diǎn)遲滯誤差最大，為驅(qū)動(dòng)器原長(zhǎng)的 2.40%，氣壓為 0的點(diǎn)遲滯誤差為1.34%；模型仿真結(jié)果顯著大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，回復(fù)過(guò)程誤差最大為7.94mm，在氣壓為0.10MPa的點(diǎn).

死區(qū)存在的原因是樣機(jī)中橡膠管與編織網(wǎng)套之間存在微小的間隙，一開(kāi)始增加的氣壓只使驅(qū)動(dòng)器發(fā)生徑向膨脹，而軸向長(zhǎng)度幾乎不發(fā)生變化．提高工藝水平可以縮小死區(qū)的范圍，如能將氣動(dòng)肌肉設(shè)計(jì)成為一體的結(jié)構(gòu)有消除死區(qū)的可能，由于本文氣動(dòng)肌肉采用的分離設(shè)計(jì)則難以避免死區(qū)．遲滯現(xiàn)象則是由摩擦力產(chǎn)生的，包括橡膠管與編織網(wǎng)套之間的摩擦力、構(gòu)成編織網(wǎng)套的每根纖維之間的摩擦力以及驅(qū)動(dòng)器與外界環(huán)境之間的摩擦力．這些摩擦力總是與驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方向相反，造成了遲滯誤差．而模型與仿真結(jié)果大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果這個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是上文提到的死區(qū)，模型中微小的氣壓增加就能立刻引起驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度的變化，因此可根據(jù)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型做出修正．修正式(5)為

式中為死區(qū)的大小，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取死區(qū)大小為0.035 MPa．修正后的模型仿真結(jié)果如圖 8所示．將修正前后的模型仿真曲線與回復(fù)過(guò)程中死區(qū)之外的實(shí)驗(yàn)標(biāo)記點(diǎn)對(duì)比，結(jié)果列在表 2中．可以看出實(shí)驗(yàn)與模型仿真結(jié)果的平均偏差相較于修正前從6.9mm下降到 1.1mm，這說(shuō)明本文所建立的氣壓與驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度關(guān)系修正模型是有效的．

圖8 氣壓驅(qū)動(dòng)模式實(shí)驗(yàn)與修正后模型仿真結(jié)果Fig.8 Experiment and correction model simulation results in pneumatic driving mode

表2 模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較Tab.2 Comparison between model and experiment data

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 9，橫坐標(biāo)為電機(jī)的位移輸出量，縱坐標(biāo)為驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)量．可以看出在該模式下，伸長(zhǎng)曲線與回復(fù)曲線幾乎完全重合，微小的誤差可以認(rèn)為是測(cè)量誤差引起的，不存在遲滯現(xiàn)象．并且兩條曲線保持 1的斜率有很好的線性度，對(duì)驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)輸入位移即是輸出位移．這是由于彈性桿軸向剛度較大，本樣機(jī)中它的彈性模量為 28GPa，近似于剛體，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)本質(zhì)上成為一種位置控制，直接控制驅(qū)動(dòng)器的伸長(zhǎng)量．而氣壓驅(qū)動(dòng)本質(zhì)上是力控制，通過(guò)控制氣壓達(dá)成對(duì)驅(qū)動(dòng)器作用力的控制．因此，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式中即使同樣存在摩擦力也不會(huì)產(chǎn)生滯環(huán)，證明了該模式適合于精確調(diào)節(jié)．

圖9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results in motor driving mode

4.2 機(jī)器人重復(fù)定位實(shí)驗(yàn)

為了觀察機(jī)器人在兩種驅(qū)動(dòng)模式下的重復(fù)定位誤差，采用與第4.1節(jié)實(shí)驗(yàn)相同的電磁位置傳感器安裝在機(jī)械臂的頂端連接盤(pán)上．定位實(shí)驗(yàn)在僅依靠氣壓驅(qū)動(dòng)和依靠混合驅(qū)動(dòng)(混合驅(qū)動(dòng)模式即先進(jìn)行氣壓粗略調(diào)節(jié)，電機(jī)再進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，如圖 5所示)下分別進(jìn)行10次，驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)度設(shè)置為230mm、230mm和 210mm，采用閉環(huán)控制調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度．實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 10，可以看到在兩種模式下的定位點(diǎn)都存在散布，這是由于存在一些不確定因素，比如氣體泄漏、摩擦力、遲滯和測(cè)量誤差等．

從圖10中能直觀地看出氣壓驅(qū)動(dòng)模式下定位點(diǎn)更為分散，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下更為集中．氣壓驅(qū)動(dòng)模式中，定位點(diǎn)在x、y、z軸的坐標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)差分別為7.05mm、2.47mm 和 9.44mm．而在混合驅(qū)動(dòng)中，標(biāo)準(zhǔn)差為 2.86mm、1.14mm 和 1.63mm，平均下降了65.4%．這說(shuō)明混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有益于提高機(jī)器人的重復(fù)定位精度，原因是在切換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式后，機(jī)械臂的剛度提高了，抗未知因素干擾的能力得到了增強(qiáng)，這一點(diǎn)將在下一個(gè)實(shí)驗(yàn)中證明．

圖10 重復(fù)定位實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人末端點(diǎn)位置分布Fig.10 Distribution of the robot tip positions measuredfrom the repetitive tests

4.3 變剛度實(shí)驗(yàn)

本文定義機(jī)械臂的剛度為

式中：Fx為施加在機(jī)械臂頂端沿x軸方向的外力；Dx為機(jī)械臂頂端由于外力造成的在x軸上的位移量．該參數(shù)反映了機(jī)械臂抵抗外力干擾的能力．實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)置如圖 11所示(圖中數(shù)值為驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度)，施加在機(jī)械臂頂端的力由力傳感器讀出，機(jī)械臂頂端位置的變化由電磁位置傳感器監(jiān)測(cè)．為了證明變剛度效果的一般性，實(shí)驗(yàn)選取了在 A、B、C 3種不同姿態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，如圖 12所示．分別在氣壓驅(qū)動(dòng)模式和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下(區(qū)別在于是否鎖緊彈性桿)，對(duì)機(jī)械臂頂端施加一個(gè)2N的沿x軸方向的水平力．機(jī)械臂的變形參數(shù)列在表 3中．可以看出，在氣壓驅(qū)動(dòng)模式下，機(jī)械臂的平均剛度為 23.5N/m，本文所提混合驅(qū)動(dòng)的方案依然能夠保持機(jī)器人的柔順性．在 B姿態(tài)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下機(jī)械臂的剛度相比于氣壓驅(qū)動(dòng)模式變化最明顯；而 A、C兩種姿態(tài)下剛度較大，變化較少．這是由于B姿態(tài)下機(jī)械臂垂直，水平外力完全轉(zhuǎn)化為彎矩；而 A、C這兩種姿態(tài)下，水平外力的部分分力作用于機(jī)械臂的軸向．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3種姿態(tài)下機(jī)械臂剛度平均增加66.9%．產(chǎn)生變剛度的原理為在氣壓驅(qū)動(dòng)模式下即未鎖緊彈性桿時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的軸向剛度與氣動(dòng)肌肉無(wú)異．而在鎖緊彈性桿切換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式之后，驅(qū)動(dòng)器的軸向剛度為氣動(dòng)肌肉與彈性桿剛度相加，最終導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械臂的剛度增加．這也證明了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式適合于精確定位．

圖11 機(jī)械臂變剛度實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.11 Experimental platform of variable stiffness of the robot arm

圖12 機(jī)械臂剛度測(cè)試的3種姿態(tài)(單位：mm)Fig.12 Three postures of the robot arm for stiffness testing(unit：mm)

表3 機(jī)器人變形參數(shù)Tab.3 Robot deformation parameters

5 結(jié) 論

(1) 針對(duì)單一驅(qū)動(dòng)方式性能不夠全面的問(wèn)題，提出了一種新型的混合驅(qū)動(dòng)器，將彈性桿嵌入氣動(dòng)肌肉使它具有氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種驅(qū)動(dòng)方式，能夠通過(guò)機(jī)械的方式自由地切換．

(2) 提出混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，在大范圍運(yùn)動(dòng)時(shí)采用氣壓驅(qū)動(dòng)保持柔順性以適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，在目標(biāo)位置后切換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，提高自身剛度并精確地調(diào)節(jié)機(jī)器人姿態(tài)．通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠比單一氣動(dòng)方式降低 65.4%的重復(fù)定位誤差，提高66.9%的剛度．

(3) 為提高氣壓驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)效率，建立了氣壓與驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度的顯式表達(dá)．通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器死區(qū)的存在并修正了模型．

未來(lái)的工作將基于本文提出的混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人深入研究與之匹配的控制策略．

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